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出品：科普中國

制作：周盈盈（中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心）

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

我們經常會被問：“你心里到底在想些什么呢？”

如果人體器官能說話，那么聽到這個問題，心臟可能會說：“什么？？我根本就沒有‘想’這個功能好嘛！”

而大腦則可能會感覺更委屈：“為什么問心在想些什么？明明是我??！是我一直在‘想’！”

圖片來源：veer圖庫

大腦實實在在承載著“想”這件事。

因為“想”，大腦這個僅占人體體重2%的器官，卻要消耗全身耗氧量的20%，及全身ATP（能量）的17%，因此被譽為人體的“CPU”。

它有著最復雜的神經網絡結構，也是世界上已知的擁有最強計算能力的“存在”。

2016年3日15日，著名圍棋棋手李世石對戰谷歌AlphaGo，盡管最終以1:4的成績輸給了AlphaGo，但是比賽時“阿爾法狗”要耗掉1202個CPU、176個GPU和100多名科學家的算力，而李世石只需要他的大腦和一杯咖啡。

你一定很好奇，大腦是如何實現高速運算和信息傳遞的？

它有什么樣的神奇之處？

在這個互相纏繞的網絡中，神經細胞訴說著無盡的“秘密”（圖片來源：veer圖庫）

大腦“地圖”長啥樣？

我們的大腦由140億個神經元組成，它們就像奔騰的大海，一天24小時，永遠不停地為我們工作著，不同的腦區高度有序，各司其職，精細調控著我們的身體。

在人腦的結構中，大腦皮層是整個中樞神經系統的最高級中樞，大腦皮層的高度進化也是哺乳動物進化的標志。

大腦皮層的主要結構與功能（圖片來源：維基百科-大腦皮層，作者改編）

而我們常說的大腦，通常是指大腦皮層及皮層下的一些重要結構，如扣帶回、基底神經節、邊緣系統、腹側被蓋區等。

如圖所示，人腦除大腦外，還包括胼胝體，間腦，腦橋，小腦，脊髓等結構，它們共同構成了我們的中樞神經系統。

人腦主要的結構與功能（圖片來源：《神經生物學原理》，作者改編）

你記不記得電視劇里時常上演的“吞槍自殺”場景？其實，槍在喉嚨中正對著的就是腦干的延髓部分，而延髓又是調控我們呼吸、心跳和消化的重要腦區，一旦延髓被破壞，人就會立即喪失生命。

因此，當遇到危險時，一定要保護好我們的后腦勺！

而在事故中，如果損傷到了脊髓，大腦和身體連接的通路就斷了，此時大腦既接收不到身體的感覺信息，發出的運動指令也無法到達軀體，就會導致半身癱瘓。因此，在發生車禍或意外跌落的現場，切忌隨意翻動傷員，以免加重其脊髓損傷，造成不可逆的后果。

聰明的腦是怎樣傳遞信號指揮身體的？

神經元是大腦活動的最基本的單元，約占神經細胞的1/10。神經元能傳遞外界的感覺信號、發出運動命令，像一位執行總指揮似的。

除神經元外，大腦還具有膠質細胞，它則支持著神經元及其環繞神經的其他組織。膠質細胞占神經細胞的9/10，像是警衛員一般，履行著讓大腦行動有序、高效運轉的責任。

神經膠質細胞保護，供養和支持神經元（圖片來源：www.visiblebody.com）

其次，神經元獨特的形狀和結構幫助神經系統信號實現快速傳遞。神經元胞體有許多樹突，它們就像是“天線”一樣，在接收到信號后，引起神經元興奮，將信號通過軸突傳遞給下一個神經元。

神經元的基本結構（圖片來源：www.visiblebody.com）

如果該信號是運動信號，當該信號傳遞到大腦的運動皮層時，運動神經元就會發出運動指令，通過皮層-皮層下運動環路調控后將信號傳遞給腦干，并到達軀體的各個部位，精確地控制我們每一個行為。

皮層-皮層下的運動環路，Cortex 皮層；Basal ganglia:基底神經節；Brain stem/Spinal cord 腦干/脊髓；Cerebellum 小腦；Thalamus 丘腦 (圖片來源：Movement Disorders. 2019 Aug;34(8):1130-1143)

被操控的大腦

在科幻電影中，我們經常能看到具有超能力者控制別人大腦的畫面。而在現實生活中，大腦真的可以被操控嗎？

2017年，耶魯大學的Ivan E de Araujo教授利用光遺傳技術（通過光來激活神經元）操控了小鼠捕食蟋蟀的過程。其中，中心杏仁核CeA和對應靶點應導水管周圍灰質PAG，在小鼠的捕食行為中發揮著重要作用。

如視頻所示，當藍色激光處于關閉狀態時，小鼠看到蟋蟀會產生“好奇”和“害怕”的反應，而后慢慢遠離它。而一旦藍色激光開啟，通過光遺傳技術激活 CeA →PAG神經環路時，小鼠會立馬跑過去捕食蟋蟀。這說明在實驗中，小鼠的大腦是會被光信號控制的。

視頻：小鼠被藍光刺激捕食蟋蟀（視頻來源：Cell. 2017 Jan 12;168(1-2):311-324.e18）

人腦——地表最強！

人和動物的大腦究竟有什么區別？為什么是人類而不是其他動物創造了社會文明？

不同哺乳動物的大腦，在結構和比重上的差異是很大的，而人腦的特殊性則為人類文明的創造奠定了生理上的基礎。相比較而言，人，猩猩和海豚大腦有很多褶皺，大鼠和兔子的大腦皮層則比較光滑。

不同哺乳動物的腦對比（圖片來源Neuroscience: Exploring the Brain(2007)-Chapter7）

皺褶的產生取決于兩個參數：大腦皮質的生長速度和厚度。在大腦皮層發育過程中，神經細胞的數量、大小、形狀和位置變化導致了大腦表面皮質的膨脹，而位于皮層下方的白質則變化不大，這使大腦皮層在壓力下出現物理作用力的機械不穩定，最終形成褶皺結構。

盡管猩猩和海豚都擁有更多“溝壑縱橫”的大腦皮層，但是黑猩猩的皮層面積只有600平方厘米，但人的大腦皮質面積卻有約2400 平方厘米之多。人的大腦皮質的面積和結構與猩猩有著巨大的差異，尤其是人大腦皮層的額葉所占比例遠遠大于猩猩，這也導致人的智力更高。

而海豚作為擁有較高智商的動物，它的大腦皮質面積達到了2600 平方厘米，其神經元數目比人類還多，但是海豚大腦的功能遠遠無法和人類相比，這是為什么？

這是由于人和海豚的祖先選擇了不同的進化路徑：海豚選擇了在海洋進化，四肢演變為鰭。

為了適應復雜而廣闊的海洋環境，海豚大腦皮質雖然很發達，但大部分都用來管理和控制它們的聲波定位系統了。更有趣的是，海豚為了24小時保持運動、交流和捕食能力，它們的左右大腦甚至可以輪流睡覺。

海豚的回聲定位系統（圖片來源: https://dolphinquest.com/）

而人類選擇了陸地，進化出靈活的手指。手的進化創造了復雜的工具，而對復雜工具的學習與制作，又使得腦和手得到進一步開發。如此循環，漸漸使我們的祖先從原始人進化成智人，以及腦容量的急劇增加使得智人可以分辨和發出更多的音素，最終發展出人類獨有的語言和文字，從而創造了社會文明。

大腦的結構不斷向復雜演化，適應著千變萬化的復雜環境。而同時，環境的改變又促使著大腦結構的“升級”，我們就這樣在不斷的變化之中開啟了漫長的進化之旅。

參考文獻：

1. Han, W., et al., Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala. Cell, 2017. 168(1-2): p. 311-324 e18.

2. Parker, J.G., et al., Diametric neural ensemble dynamics in parkinsonian and dyskinetic states. Nature, 2018. 557(7704): p. 177-182.

3. Wichmann, T., Changing views of the pathophysiology of Parkinsonism. Mov Disord, 2019. 34(8): p. 1130-1143.

4. 大腦表面為什么有這么多褶皺？知乎

5. 如果海豚在陸地上堅持了下來，或許海豚文明會取代我們人類文明 個人圖書館

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